CN107299257A - 一种改性石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法，包含以下各组分，其质量分数百分比为：改性石墨烯0.01～0.3wt.％、铜0.3～2.4wt.％、碳0.2～1.3wt.％、铁1.2～4.6wt.％、碳化硅0.8～1.9wt.％、氧化镧0.1～1.5wt.％、表面活性剂1.9～4.5wt.％、余量为铝。本发明所述改性石墨烯增强铝基复合材料综合力学性能较好，强度和硬度升高；所述复合材料保持铝基复合材料原有的塑性；本发明所述方法保证了石墨烯与金属熔体间的润湿性，保证复合材料组织致密，界面结合良好，石墨烯呈片状均匀分布在铝基中。

Description

一种改性石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属铸造领域，涉及一种铝合金及其铸造方法，具体为一种改性石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
轻金属基复合材料是一种优异的结构功能一体化材料，具有高比强度、高比刚度和高比模量，如铝基、镁基复合材料，已成为汽车、电子、航空、海洋等军民工业领域的理想材料。与传统颗粒或纤维增强相不同，二维结构的石墨烯因其超高的强度、模量等物理特性，作为复合材料的增强相，可与基体发挥协同作用，以制备出高性能的复合材料。
石墨烯易产生团聚现象，与金属具有较差的界面润湿性，且由于石墨烯密度远低于铝、镁等金属的密度，在金属熔体中极易产生漂浮，难以均匀分布于金属中。针对上述问题，人们通过石墨烯表面改性、成型方式优化和物理化学反应等手段展开了大量关于石墨烯增强铝、镁等轻金属基复合材料及其成型的研究。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了克服现有技术的缺陷，获得一种石墨烯分散均匀，且能够增强铝基复合材料的力学性能的方法，本发明提供了一种改性石墨烯增强铝基复合材料及其制备方法。
技术方案：一种改性石墨烯增强铝基复合材料，包含以下各组分，其质量分数百分比为：改性石墨烯0.01～0.3wt.％、铜0.3～2.4wt.％、碳0.2～1.3wt.％、铁1.2～4.6wt.％、碳化硅0.8～1.9wt.％、氧化镧0.1～1.5wt.％、表面活性剂1.9～4.5wt.％、余量为铝。
优选的，改性石墨烯的质量分数百分比为0.01～0.05wt.％。
优选的，碳元素的质量分数百分比为0.5～1.1wt.％。
优选的，碳化硅的质量分数百分比为1.2～1.6wt.％。
优选的，铝元素与改性石墨烯的质量比大于200。
优选的，铝元素与碳元素的质量比大于100。
优选的，铝元素与表面活性剂的质量比大于20。
一种改性石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将石墨烯加入无水乙醇中，m/v为1:15～25，置于球磨机内，分散均匀后，加入阳离子表面活性剂，超声处理2～4小时；
(2)将步骤(1)超声处理后的体系置于40～56℃的烘箱中，去除无水乙醇，制得改性石墨烯；
(3)将纯铝进行熔化，待其熔化一半时加入改性石墨烯，在700～750℃内保温30～65分钟；
(4)添加铜、碳、铁、碳化硅和氧化镧后保温搅匀，在750～780℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置20～40分钟，再加入表面活性剂，在700～720℃撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；
(5)对铝合金熔体进行重力铸造，得到铝合金铸件；将铸件依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后即可制得改性石墨烯增强铝基复合材料。
优选的，固溶处理的温度为480～530℃，时间为3～17小时。
优选的，时效处理的温度为185～265℃，时间为12～48小时。
有益效果：(1)本发明所述改性石墨烯增强铝基复合材料综合力学性能较好，强度和硬度升高；(2)所述复合材料保持铝基复合材料原有的塑性；(3)本发明所述方法保证了石墨烯与金属熔体间的润湿性，保证复合材料组织致密，界面结合良好，石墨烯呈片状均匀分布在铝基中。
具体实施方式
实施例1
一种改性石墨烯增强铝基复合材料，包含以下各组分，其质量分数百分比为：改性石墨烯0.01wt.％、铜0.3wt.％、碳0.2wt.％、铁1.2wt.％、碳化硅0.8wt.％、氧化镧0.1wt.％、表面活性剂1.9wt.％、余量为铝。
一种改性石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将石墨烯加入无水乙醇中，m/v为1:15，置于球磨机内，分散均匀后，加入阳离子表面活性剂，超声处理2小时；
(2)将步骤(1)超声处理后的体系置于40℃的烘箱中，去除无水乙醇，制得改性石墨烯；
(3)将纯铝进行熔化，待其熔化一半时加入改性石墨烯，在700℃内保温30分钟；
(4)添加铜、碳、铁、碳化硅和氧化镧后保温搅匀，在750℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置20分钟，再加入表面活性剂，在700℃撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；
(5)对铝合金熔体进行重力铸造，得到铝合金铸件；将铸件依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后即可制得改性石墨烯增强铝基复合材料。
固溶处理的温度为480℃，时间为3小时。
时效处理的温度为185℃，时间为12小时。
实施例2
一种改性石墨烯增强铝基复合材料，包含以下各组分，其质量分数百分比为：改性石墨烯0.05wt.％、铜0.9wt.％、碳0.7wt.％、铁1.8wt.％、碳化硅1.0wt.％、氧化镧0.5wt.％、表面活性剂2.4wt.％、余量为铝。
一种改性石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将石墨烯加入无水乙醇中，m/v为1:18，置于球磨机内，分散均匀后，加入阳离子表面活性剂，超声处理3小时；
(2)将步骤(1)超声处理后的体系置于45℃的烘箱中，去除无水乙醇，制得改性石墨烯；
(3)将纯铝进行熔化，待其熔化一半时加入改性石墨烯，在710℃内保温40分钟；
(4)添加铜、碳、铁、碳化硅和氧化镧后保温搅匀，在760℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置25分钟，再加入表面活性剂，在710℃撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；
(5)对铝合金熔体进行重力铸造，得到铝合金铸件；将铸件依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后即可制得改性石墨烯增强铝基复合材料。
固溶处理的温度为500℃，时间为5小时。
时效处理的温度为200℃，时间为16小时。
实施例3
一种改性石墨烯增强铝基复合材料，包含以下各组分，其质量分数百分比为：改性石墨烯0.1wt.％、铜1.4wt.％、碳1.1wt.％、铁2.9wt.％、碳化硅1.2wt.％、氧化镧1.2wt.％、表面活性剂3.2wt.％、余量为铝。
一种改性石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将石墨烯加入无水乙醇中，m/v为1:21，置于球磨机内，分散均匀后，加入阳离子表面活性剂，超声处理3小时；
(2)将步骤(1)超声处理后的体系置于50℃的烘箱中，去除无水乙醇，制得改性石墨烯；
(3)将纯铝进行熔化，待其熔化一半时加入改性石墨烯，在725℃内保温55分钟；
(4)添加铜、碳、铁、碳化硅和氧化镧后保温搅匀，在770℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置30分钟，再加入表面活性剂，在710℃撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；
(5)对铝合金熔体进行重力铸造，得到铝合金铸件；将铸件依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后即可制得改性石墨烯增强铝基复合材料。
固溶处理的温度为515℃，时间为10小时。
时效处理的温度为225℃，时间为22小时。
实施例4
一种改性石墨烯增强铝基复合材料，包含以下各组分，其质量分数百分比为：改性石墨烯0.3wt.％、铜2.4wt.％、碳1.3wt.％、铁4.6wt.％、碳化硅1.9wt.％、氧化镧1.5wt.％、表面活性剂4.5wt.％、余量为铝。
一种改性石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将石墨烯加入无水乙醇中，m/v为1:25，置于球磨机内，分散均匀后，加入阳离子表面活性剂，超声处理4小时；
(2)将步骤(1)超声处理后的体系置于56℃的烘箱中，去除无水乙醇，制得改性石墨烯；
(3)将纯铝进行熔化，待其熔化一半时加入改性石墨烯，在750℃内保温65分钟；
(4)添加铜、碳、铁、碳化硅和氧化镧后保温搅匀，在780℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置40分钟，再加入表面活性剂，在720℃撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；
(5)对铝合金熔体进行重力铸造，得到铝合金铸件；将铸件依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后即可制得改性石墨烯增强铝基复合材料。
固溶处理的温度为530℃，时间为17小时。
时效处理的温度为265℃，时间为48小时。
对实施例1～4制备获得的改性石墨烯增强铝基复合材料进行检测，结果如下表所示：

Claims (10)

1.一种改性石墨烯增强铝基复合材料，其特征在于，包含以下各组分，其质量分数百分比为：改性石墨烯0.01～0.3wt.％、铜0.3～2.4wt.％、碳0.2～1.3wt.％、铁1.2～4.6wt.％、碳化硅0.8～1.9wt.％、氧化镧0.1～1.5wt.％、表面活性剂1.9～4.5wt.％、余量为铝。
2.根据权利要求1所述的一种改性石墨烯增强铝基复合材料，其特征在于，改性石墨烯的质量分数百分比为0.01～0.05wt.％。
3.根据权利要求1所述的一种改性石墨烯增强铝基复合材料，其特征在于，碳元素的质量分数百分比为0.5～1.1wt.％。
4.根据权利要求1所述的一种改性石墨烯增强铝基复合材料，其特征在于，碳化硅的质量分数百分比为1.2～1.6wt.％。
5.根据权利要求1所述的一种改性石墨烯增强铝基复合材料，其特征在于，铝元素与改性石墨烯的质量比大于200。
6.根据权利要求1所述的一种改性石墨烯增强铝基复合材料，其特征在于，铝元素与碳元素的质量比大于100。
7.根据权利要求1所述的一种改性石墨烯增强铝基复合材料，其特征在于，铝元素与表面活性剂的质量比大于20。
8.权利要求1～7所述的一种改性石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)将石墨烯加入无水乙醇中，m/v为1:15～25，置于球磨机内，分散均匀后，加入阳离子表面活性剂，超声处理2～4小时；
(2)将步骤(1)超声处理后的体系置于40～56℃的烘箱中，去除无水乙醇，制得改性石墨烯；
(3)将纯铝进行熔化，待其熔化一半时加入改性石墨烯，在700～750℃内保温30～65分钟；
(4)添加铜、碳、铁、碳化硅和氧化镧后保温搅匀，在750～780℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置20～40分钟，再加入表面活性剂，在700～720℃撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；
(5)对铝合金熔体进行重力铸造，得到铝合金铸件；将铸件依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后即可制得改性石墨烯增强铝基复合材料。
9.根据权利要求8所述的一种改性石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，固溶处理的温度为480～530℃，时间为3～17小时。
10.根据权利要求8所述的一种改性石墨烯增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，时效处理的温度为185～265℃，时间为12～48小时。
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